Тепловой насос с ветрогенератором для жилых зданий с низким энергопотреблением

Аккумулятор Fiamm 12FGHL28

Китайские учёные разработали оптимизированную стратегию управления энергопотреблением для гибридной системы ветряных и фотоэлектрических тепловых насосов, которая использует как тепловую, так и электрическую энергию. Используя различные стратегии управления сезонными изменениями, они смоделировали четыре сценария работы.

Исследовательская группа из Китая разработала оптимизированную стратегию управления энергопотреблением для гибридных ветро-фотоэлектрических систем с тепловыми насосами (ТН).

Их подход сочетает в себе хранение тепловой и электрической энергии с системой сезонного взаимодействия с энергией, которая включает в себя предварительное охлаждение весной, охлаждение летом, предварительный нагрев осенью и отопление зимой.

«Новизна методологии, разработанной в рамках этой работы, заключается в трёх аспектах, — говорят исследователи. — Во-первых, мы предлагаем новую стратегию управления взаимодействием источников энергии. Во-вторых, мы вводим новые показатели для оценки способности к взаимодействию между источниками энергии и нагрузкой, а также характеристик отключённой сети. В-третьих, мы проводим двухэтапную оптимизацию для определения оптимальной конфигурации системы и еженедельного динамического управления взаимодействием между источниками энергии и нагрузкой как для фотоэлектрических систем, так и для ветряных/фотоэлектрических систем с учётом технологических, экономических и экологических факторов».

Команда провела анализ малоэнергозатратного жилого здания (МЭЗЖЗ) в Шэньяне на северо-востоке Китая. Двухэтажное здание площадью 334,8 м² было смоделировано с помощью TRNSYS и SketchUp. Из примерно 160 м² поверхности крыши 130 м² подходили для установки фотоэлектрических панелей. Почасовая солнечная радиация варьировалась от 0 до 0,3 кВт·ч/м², а температура окружающей среды в течение года колебалась от –26,54 °C до 32,18 °C.

Гибридная система «ветер/фотоэлектричество — тепловой насос» также была смоделирована в TRNSYS. Она включает в себя фотоэлектрические модули мощностью 550 Вт, ветряные турбины мощностью 3 кВт, геотермальный тепловой насос (GSHP), геотермальные теплообменники (GSE), воздушный тепловой насос (ASHP), аккумуляторы емкостью 40 кВт·ч и резервуар для воды с материалами, меняющими фазовое состояние (PCM). Тепловые насосы работают на возобновляемой электроэнергии, а избыточная энергия накапливается в аккумуляторах или передается в сеть. GSHP служит в качестве основного источника питания, в то время как ASHP обеспечивает вторичный нагрев или охлаждение.

Исследователи рассмотрели четыре сценария: базовая система без продвинутых стратегий взаимодействия (вариант 1); вариант 1 плюс стратегия взаимодействия и ASHP (вариант 2); вариант 2 плюс двухэтапная оптимизация и фотоэлектрическая система (вариант 3); вариант 3 плюс ветрогенерация (вариант 4).

На первом этапе оптимизации использовался алгоритм NSGA-II для определения размера системы; на втором этапе применялась оптимизация роя частиц для управления еженедельным уровнем заряда батареи.

Стратегии сезонного взаимодействия были разработаны для максимального использования возобновляемых источников энергии. Весной и осенью предварительное охлаждение и предварительный нагрев грунта помогают регулировать температуру почвы. Летом возобновляемые источники энергии используются для охлаждения и аккумулирования тепла. Зимой прогнозирование нагрузки на сутки вперёд и управление аккумуляторами позволяют поддерживать отопление, снижая при этом зависимость от сети.

Ученые обнаружили, что применение стратегии взаимодействия улучшило соотношение мощности и нагрузки в системе и позволило добиться нулевого энергопотребления. Коэффициент мощности достиг 1,45 и 1,34, а коэффициент независимости системы снизился на 75,15 % и 69,82 % в случаях с фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами и фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами соответственно. Уровненная стоимость энергии снизилась как минимум на 54,70 %, а производительность системы выросла как минимум на 4 %. За десять лет температура почвы снизилась всего на 0,42 °C, что смягчило долгосрочный дисбаланс грунта.

Оптимальная конфигурация системы «ветер/фотоэлектричество — ГГУ» включает в себя 13,12 кВт фотоэлектрических элементов, две ветряные турбины, аккумуляторы ёмкостью 25,46 кВт⋅ч, ГГУ мощностью 6,17 кВт и резервуар для воды объёмом 2,76 м³. Мощность фотоэлектрических элементов в системе «фотоэлектричество — ГГУ» на 18,14 % выше, чем в гибридной системе «ветер/фотоэлектричество — ГГУ».

«Оптимизация на втором этапе определяет состояние еженедельного динамического управления взаимодействием между мощностью и нагрузкой на основе оптимизированной конфигурации системы», — подчеркнули исследователи. По сравнению с первым этапом оптимизация второго этапа позволила снизить SIF на 15,00 % и 16,00 %, снизить LCOE на 4,70 % и 4,62 %, увеличить коэффициент самопотребления на 5,88 % и 4,76 %, а также увеличить выбросы углекислого газа на 4,70 % и 4,62 % в случаях с фотоэлектрическими и ветровыми установками соответственно.

Система была представлена в статье «Оптимизированная стратегия управления энергопотреблением для гибридных ветро-фотоэлектрических систем тепловых насосов с двойным накопителем: улучшение взаимодействия между мощностью и нагрузкой», опубликованной в Energy. Исследователи из китайского Университета Шэньян Цзяньчжу и Шанхайского университета Цзяо Тун провели исследование.